嵌入式实时操作系统

嵌入式系统设计与实例开发——ARM与C/OS-Ⅱ实时操作系统分析控制工程系火控教研室嵌入式系统

什么是嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统本身是个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统。从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。嵌入式微控制器（MCU）嵌入式DSP处理器（DSP）嵌入式微处理器（MPU）嵌入式片上系统（SOC）嵌入式系统的分类1、嵌入式系统的硬件嵌入式微处理器（MPU）：是由计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去处其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现了嵌入式应用的特殊要求，具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。嵌入式处理器目前主要有ARM系列、

MIPS、PowerPC、x86等。

嵌入式系统的分类2、嵌入式系统软件：由嵌入式操作系统和相应的各种应用程序构成。

操作系统:是连接计算机硬件和应用程序的系统程序，具有两个功能：使计算机硬件便于使用，高效组织和正确地使用计算机的资源。无操作系统-----有操作系统区别?无操作系统CPUTaskInterface有操作系统Task0Task1……InterfaceTask0Task1CPU无操作系统：1

严格按所规定的顺序执行2 程序执行的封闭性3 独占资源,执行过程和结果不受其它程序的影响4程序结果的可再现性(结果的确定性)5 只要初始状态相同,程序多次重复运行,其结果与程序执行速度无关(连续或间断),结果都应相同。

有操作系统：多任务系统可以充分的利用系统资源。嵌入式操作系统嵌入式操作系统微型化可裁减性好适时性可靠性易移植性实时操作系统分时操作系统嵌入式操作系统EmbeddedOperatingSystemLinux，WinCE，VxWorks，OSE，Nucleus，uC/OS-II，eCos，

uTTRON……常见的嵌入式操作系统实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种:商用型和免费型。商用型的实操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵,如VxWorks、QNX、WinCE、PalmOS等。免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有Linux和μC/OS，稳定性与服务性存在挑战。μC/OS-Ⅱ是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统。其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，最小内核可编译至2KB。抢占式内核。UClinux则是继承标准Linux的优良特性，针对嵌入式处理器的特点设计的一种操作系统，具有内嵌网络协议、支持多种文件系统，开发者可利用标准Linux先验知识等优势。其编译后目标文件可控制在几百KB量级。无MMU，采用时间片轮番调度算法。 免费且公开源码的：μC/OS-Ⅱ和UClinuxC/OS简介

1.C/OS——MicroControllerOS，微控制器操作系统2.C/OS简介美国人JeanLabrosse于1992年完成；应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设备、发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等；1998年C/OS-II，目前的版本C/OS-IIV2.61，2.72；2000年，得到美国航空管理局（FAA）的认证，可用于飞行器中；网站www.ucos-II.com（)。公开源代码可移植性（Portable）

绝大部分C/OS-II的源码是用移植性很强的ANSIC写的。和微处理器硬件相关的那部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分已经压到最低限度，使得C/OS-II便于移植到其他微处理器上。C/OS-II可以在绝大多数8位、16位、32位以至64位微处理器、微控制器、数字信号处理器（DSP）上运行。可固化（ROMable）

C/OS-II是为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要读者有固化手段（C编译、连接、下载和固化），C/OS-II可以嵌入到读者的产品中成为产品的一部分。可裁剪（Scalable）

可以只使用C/OS-II中应用程序需要的那些系统服务。也就是说某产品可以只使用很少几个C/OS-II调用，而另一个产品则使用了几乎所有C/OS-II的功能，这样可以减少产品中的C/OS-II所需的存储器空间（RAM和ROM）。这种可剪裁性是靠条件编译实现的。C/OS的性能特点（一）占先式（Preemptive）多任务

C/OS-II可以管理64个任务，然而，目前这一版本保留8个给系统。应用程序最多可以有56个任务。可确定性

全部C/OS-II的函数调用与服务的执行时间具有可确定性。任务栈

每个任务有自己单独的栈，C/OS-II允许每个任务有不同的栈空间，以便压低应用程序对RAM的需求。系统服务

C/OS-II提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、块大小固定的内存的申请与释放、时间相关函数等。中断管理

中断可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任务被该中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层数可达255层。稳定性与可靠性C/OS的性能特点（二）µC专/G狮UI外a贵nd锹µ指C/冶FSµC扯/G竭UI嵌入饭式的顿用户艺界面截；用AN宣SI膛C书写晒；支持眉任何8,适1渠6,征3外2-宁bi矛ts兔C忆PU；彩色祥，灰泰度，兼等级铁或黑除白显供示；代码坑尺寸裕小。µC霉/F揉S嵌入谦式的艘文件众系统Wr纽奉it雄te贿n植in陡A坟NS药I岁C；用AN快SI栽C书写袜；支持判任何8,该1倍6,逝3弱2-射bi饶ts违C朽PU；支持SM复C,决M翻MC扇,士SD随,洪CF束,藏ID兽E,锻F皇la披sh佳,间RA贯M其他币介质余。µC归/O滩S-长II图书描述多了µC扰/O喊S-乌II内部颠的工妇作原毛理；随书你的CD中包斜含了稠源代榨码；工业币界最俭清晰神的源宁代码除英遮文版育外，谣有中咏文和芳韩文绍版。Ch粪in违es壶eKo找re宋anEn慌gl守is衬hIS佳BN押1利-5候78番20棵-1吐03忙-9美国CM菜P恼BO宪OKIS打BN须7跟-8害10仇77盯-2搁90碗-2北京滔航空然航天艘大学进出版缩慧社IS嘱BN汁8贯9-追95齿15咱40便-5粒-5µC岗/O绝S-摔II的各皆种商拦业应秘用全世尼界有个数百教种产铃品在斜应用:Av键io疗ni大csMe跪di和ca可lCe冬ll暮p平ho次ne盒sRo融ut陈er叉s绣an臣d症sw镇it阴ch勾esHi米gh奖-e喂nd熟a勉ud巡寿io行e随qu博ip目me还ntWa曲sh你in女g期ma捷ch吹in皆es竿a隔nd秋d裙ry椒er而sUP掉S(U号ni棕nt蛙er券ru投pt决ib隆le刑P疲ow叼er只S司up连pl宪ie陵s)In换du秩st航ri她al校c钻on闹tr汇ol陡le勺rsGP乡丰S龄Na碑vi产ga都ti歌on哗S耳ys锈te来msMi即cr轮ow溉av卫e布Ra洒di轨osIn留st穗ru咏me盐nt止at画io跃nPo兵in灯t-对of姓-s抗al联e擦te恨rm言in蜻al缠s更多内容琴提要1324实时肺操作免系统替基本踏概念C/馆OS症-Ⅱ内核秆结构C/滑OS拆-Ⅱ移植移植滚实例远分析特点：可靠遭性实时店性可裁挤减性要求：多任未务抢占责式调笔度任务筐的通弄讯与斧同步任务凝与中弹断之竭间的搭通讯RT另OSRT漏OS在嵌钩入式程系统陷中的糊位置嵌入汉式硬宪件平贿台BS婚PKE戒RN妇ELFSTC药P/翼IP设备绘驱动设备I/岁O调试绣工具其他铅组件应用RT简OSC/夸C+她+实时仗系统碗基本胳概念前后填台系婆统（Fo祖re损gr丑ou绸nd易/B互ac捧kg照ro光un欧d尝Sy球st狡em）应用晒程序洗是一港个无切限的尾循环刃，循陵环中猜调用术相应返的函订数完票成相滴应的伸操作顷，这赚部分螺可以莫看成激后台弊行为(b青ac文kg场ro兽un殃d)。中珍断服动务程昂序处爽理异孤步事集件，援这部宜分可办以看厚成前披台行默为（fo娱re役gr须ou榴nd）。时间约相关丙性很是强的姓关键衡操作(C孔ri傲ti袖ca骡l狂op老er画at耳io由n)一定厘是靠扩中断随服务京来保涛证的广。因营为中捷断服堵务提由供的拣信息雾一直园要等洁到后捧台程纲序走浮到该楼处理缩慧这个周信息海这一校步时搂才能教得到梢处理罚，这帆种系神统在右处理骨信息死的及胁时性租上，忘比实约际可艇以做急到的脸要差职。实时城系统匹基本阀概念多任王务多任雀务运给行的魔实现肤实际明上是塑靠CP盘U(中央荐处理哨单元)在许该多任询务之牧间转左换、诉调度旱。CP约U只有秀一个添，轮距番服辉务于顶一系扭列任碧务中罩的某羊一个棉。多附任务食运行院很像名前后欢台系慨统，验但后围台任虽务有妨多个循。多是任务踏运行鞠使CP求U的利饺用率沿得到宅最大默的发奇挥，疲并使拿应用菠程序忠模块烛化。驱在实鲁时应岸用中莲，多伙任务舍化的喷最大掉特点溜是，弓开发错人员鸟可以信将很文复杂扰的应悼用程鱼序层拳次化各。使牙用多堪任务短，应毙用程赞序将肿更容廊易设钉计与戚维护膊。实时尚系统蕉基本慰概念任务实时贺系统泪基本消概念任务盘切换(C鲜on掘te肉xt驴S爱wi杜tc颜h单or甘T戚as扰k血Sw脊it食ch扇)Co纺nt槽ex帐t翁Sw雪it巴ch在有规的书晚中翻敢译成霞上下全文切配换，牵实际条含义比是任雪务切待换，刺或CP根U寄存打器内祝容切曲换。当多健任务遭内核柄决定往运行窄另外益的任菠务时打，它兰保存叙正在废运行枝任务寻的当上前状猪态（Co筝nt壤ex违t），槽即CP应U寄存求器中喇的全飘部内怠容。这些象内容薪保存智在任塘务的车当前悉状况惕保存婶区（Ta善sk’s脆Co伶nt驱ex拒t继St罢or杰ag宰e讲ar刘ea），也就兽是任梯务自零己的英栈区孕之中其。入栈桑工作笑完成踏以后孕，就梢是把泼下一傲个将祝要运穗行的岩任务质的当麻前状种况从伞该任树务的果栈中今重新春装入CP棍U的寄死存器联，并桌开始抢下一番个任茫务的首运行盟。这个收过程土叫做己任务肥切换蹄。实时紫系统把基本友概念静态隙优先霸级应用须程序吐执行将过程炮中诸益任务包优先志级不自变，缩慧则称需之为捏静态举优先央级。游在静纵态优讨先级惧系统坟中，婚诸任傍务以妇及它冰们的本时间储约束掀在程援序编帖译时窃是已叉知的疮。动态联优先必级应用恩程序酷执行隐过程犬中，嫌任务董的优罪先级歼是可栏变的陆，则倦称之话为动歉态优捧先级闻。任务扯优先玻级每个固任务堂都有报其优挠先级箩。任弟务越稍重要凤，赋省予的首优先并级应依越高烈。实时他系统摆基本席概念内核壮（Ke释rn较el）多任建务系果统中胸，内邻核负昌责管何理各柔个任取务，切或者化说为勇每个缠任务锋分配CP替U时间晕，并信且负棋责任红务之额间的算通讯挺。内哀核提置供的召基本缠服务劲是任颂务切榜换。帝之所艰以使点用实百时内吃核可慕以大睁大简澡化应攻用系钓统的虑设计颈，是到因为雅实时胀内核类允许俗将应赤用分肌成若余干个念任务醉，由族实时岂内核担来管序理它犹们。内核配本身沉也增冶加了呈应用难程序炕的额便外负蹄荷，捐代码蹲空间识增加RO搂M的用科量，矮内核滑本身茅的数输据结躲构增赤加了RA修M的用止量。实时犁系统功基本互概念不可唤剥夺蒙型内丛核（No曲n-骆Pr隐ee不mp弟ti存ve左K邮er瞎ne值l）不可护剥夺前型内葡核要纵求每感个任框务自炊我放迷弃CP曲U的所仓有权镇。各个伪任务年彼此塔合作吧共享闷一个CP催U。异羡步事残件还煮是由蚂中断桃服务遇来处虹理。呀中断昆服务塘可以异使一骑个高大优先蹄级的挤任务携由挂遮起状昼态变延为就凉绪状盖态。额但中第断服舰务以能后控恢制权灵还是节回到街原来系被中合断了辞的那急个任闹务，拥直到张该任虾务主帽动放及弃CP骗U的使娃用权茂时，亏那个躺高优核先级敌的任邪务才胶能获魂得CP鹿U的使惕用权盗。实时责系统晚基本忍概念可剥毛夺型吵内核善（珠非占浑先式幅内核）高优庙先级挑的任晌务一菊旦就英绪，牺总能凤得到CP笨U的控猎制权邀。当辰一个视运行校着的迫任务岗使一含个比沿它优妨先级无高的新任务稿进入处了就香绪态杀，当暖前任差务的CP禽U使用块权就颂被剥牧夺了王，或莲者说郊被挂巾起了于，那差个高究优先奖级的劲任务客立刻海得到赏了CP属U的控陡制权板。如啊果是软中断伯服务振子程巨序使搞一个鼓高优睡先级腿的任滩务进妙入就赔绪态丘，中秤断完年成时迅，中怀断了聪的任爸务被苦挂起泡，优毒先级巷高的李那个疗任务播开始战运行叛。中断是一呜种硬贷件机芬制，跃用于安通知CP鸟U有个再异步仁事件留发生暖了。铲中断句一旦翼被识炮别，CP杆U保存俊部分(或全键部)现场(C卖on含te丽xt另)即部盆分或恐全部弯寄存普器的充值，煎跳转观到专伪门的跳子程摊序，治称为辈中断剧服务游子程锹序(I畏SR绳)。中断捞服务或子程援序做烂事件创处理坝，处担理完使成后颈，程羡序回铲到：1在前后鸟台系乔统中，缎程序喊回到答后台律程序2对不可坟剥夺阁型内角核而言滤，程踢序回续到被故中断草了的译任务3对可剥暗夺型富内核而言斧，让计进入楚就绪估态的魂优先押级最粮高的票任务宾开始怀运行中断址使得CP急U可以轿在事坟件发盈生时若才予刃以处肢理，门而不课必让驾微处傅理器雅连续铃不断坝地查削询(P伏ol臂li境ng滔)是否厕有事吹件发棋生。慨通过给两条窝特殊恰指令者：关给中断(D筝is塑ab亏le轿i型nt次er粱ru穴pt玻)和开驾中断(E拉na港bl汽e博in膛te察rr骄up串t)可以猛让微锻处理要器不立响应弟或响眨应中捉断。实时漫系统龄基本样概念代码域的临削界段代码蓄的临上界段迷也称疗为临右界区简，指亲处理克时不副可分但割的诞代码却。一瘦旦这吧部分造代码衬开始逢执行转，则拢不允毯许任龟何中厌断打勉入。四为确咽保临稠界段言代码误的执腔行，冤在进赛入临头界段热之前称要关坐中断烘，而度临界母段代音码执开行完努以后城要立壁即开拒中断捕。实时储系统猪基本超概念在实畜时环迟境中骡，关标中断坝的时挖间应毯尽量循的短收。关适中断愁影响负中断晴延迟尽时间(见2.钳26中断状延迟)。关被中断劫时间即太长拉可能风会引摩起中辞断丢锅失。微处俩理器梢一般耽允许凳中断鹊嵌套，也纱就是劳说在浪中断慕服务追期间辫，微常处理有器可饰以识背别另抬一个米更重擦要的厉中断席，并洁服务坚于那弊个更辆重要杂的中烂断，偶如图2.秀19所示登。实时沈系统节基本钟概念中断土响应中断企响应搂定义惭为从殖中断促发生珠到开螺始执贝行用亿户的厉中断危服务验子程冤序代筋码来聚处理萝这个编中断订的时趟间。铸中断计响应础时间漆包括片开始恳处理身这个区中断违前的俱全部泡开销浮。对前辽后台良系统，保径存寄识存器湿以后泪立即冒执行司用户赚代码中断兽响应既时间=中断羊延迟+保存CP载U内部羞寄存话器的江时间实时章系统寺基本裹概念不可桥剥夺欲型内驶核，微缸处理半器保骨存内坑部寄沉存器游以后件，用垦户的阶中断死服务醉子程弃序代欲码全惊立即朗得到奏执行饱。中断丑响应脏时间=中断日延迟+保存CP粘U内部热寄存建器的去时间可剥浆夺型球内核，则锣要先碎调用崭一个扰特定视的函爸数，沉该函夜数通狮知内直核即渣将进扩行中牧断服随务，量使得厌内核须可以献跟踪革中断腰的嵌烫套。虎对于μC/O胳S-洪Ⅱ说来腾，这瓜个函班数是OS第In潮tE窄nt锄er()，中断心响应垦＝毕中焦断延亦迟+保存CP介U内部妹寄存吃器的抗时间+内核俯的进坊入中驾断服换务函桂数的敬执行踩时间中断含恢复欲时间(I浆nt骄er级ru独pt窃R完ec鸦ov粉er宅y)中断环恢复租时间倾定义昼为微贷处理晴器返婚回到促被中程断了电的程墓序代因码所铜需要简的时骡间。前后窝台系悔统和想不可假剥夺葛型内扎核，中妖断恢仰复时粱间很趣简单束，只携包括它恢复CP泉U内部脂寄存压器值勒的时埋间和锦执行厉中断瞒返回哲指令象的时注间。中断期恢复猜时间=恢复CP清U内部返寄存状器值惜的时抄间+执行载中断捧返回狡指令妄的时塌间实时侧系统酬基本稍概念可剥均夺型猜内核，中叹断的嚼恢复陶要复首杂一蛮些。林典型鸣地，蔬在中派断服采务子即程序舰的末愿尾，闲要调逐用一能个由映实时师内核葵提供笑的函跨数。言在μC/O商S-毯Ⅱ中，涌这个遍函数摄叫做OS露In兽tE服xi贼t()，这注个函浴数用险于辨船定中霸断是杆否脱诞离了狐所有并的中捐断嵌气套。材如果吧脱离猜了嵌蓬套(即已兴经可迷以返疼回到消被中厌断了吃的任蛮务级庄时)，内衡核要项辨定塑，由茎于中屑断服仓务子岗程序IS蛙R的执正行，蛙是否球使得对一个职优先既级更奋高的挎任务爷进入鱼了就应绪态阿。如攀果是求，则批要让的这个渠优先千级更仇高的网任务翅开始裤运行犁。在粱这种帖情况蔬下，床被中胞断了霜的任黑务只睁有重盼新成采为优符先级激最高茶的任格务而抖进入爸就绪筒态时叮才能赞继续阶运行慌。中断港恢复丢时间=判定扶是否企有优践先级球更高捏的任模务进喇入了瞧就绪晚态的您时间+恢复鼻那个摆优先紧级更污高任乓务的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